一种超高速飞行模型位姿变化测量装置的制作方法

本实用新型涉及位姿变化测量领域，尤其涉及一种超高速飞行模型位姿变化测量装置。

背景技术：

目前，针对超高速飞行模型的速度测量方法有磁感应法、片光遮挡法、阴影成像和X射线法等。但是，磁感应法要求模型为金属材料或增加飞行的磁环，对模型的材料和发射要求较高。片光遮挡法测速原理是当模型穿越片光遮挡部分光束，导致穿过模型的光通量减少，从而实现粒子的探测，该测量方法的精度高但无法获得模型的姿态。阴影成像法是根据不同时刻的阴影图像中模型的位置判断飞行距离速度；X射线法是利用两次X射线管照相底片判读模型的飞行距离，结合两次闪光时间计算模型飞行速度。阴影成像法和X射线成像法可以获得模型的姿态，但模块复杂，成本高昂，测量视场小。

技术实现要素：

实用新型的技术目的是提供一种针对超高速飞行模型的位姿变化测量装置，解决复杂外形模型超高速飞行的位姿测量难度大、精度低且成本高的问题，从二维视觉图像中获得模型表面的三维信息，获取模型的位姿变化。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种超高速飞行模型位姿变化测量装置，包括：

序列光源模块，所述序列光源模块用于产生序列脉冲光束，照射待测量的模型，所述模型表面设置有编码标记点；

前光成像模块，所述前光成像模块包括双目相机，所述双目相机用于在一个曝光时间内连续拍摄多个出光照射时刻所述模型的双目前光图像，所述序列光源模块多次出光照射时刻为测量所述模型多个位姿的时刻；

控制模块，所述控制模块与所述序列光源模块和所述前光成像模块连接，用于控制序列脉冲光束出光以及所述双目相机曝光；

数据处理模块，所述数据处理模块用于根据多个出光照射时刻获得的双目前光图像，解算所述模型的位姿变化。

优选地，所述前光成像模块还包括光吸收介质层，所述光吸收介质层设置在所述双目相机的视场中，位于所述模型远离所述双目相机的一侧。

优选地，所述光吸收介质层为黑布或黑色涂料。

优选地，所述数据处理模块用于从单个出光照射时刻的双目前光图像提取至少三个能够同时识别的编码标记点，并根据预先标定的成像参数，解算该时刻的模型位姿；根据多个序列脉冲光束出光照射时序及对应的各时刻模型位姿，解算所述模型的位姿变化。

优选地，所述序列光源模块采用脉冲激光器产生序列脉冲光束。

优选地，所述脉冲激光器用于产生激光脉冲光束，经扩束和匀化后照射模型。

优选地，激光脉冲光束的脉冲小于10ns，出口能量为190～210mJ。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型提供了一种针对超高速飞行模型位姿变化的测量装置，在模型超高速飞行过程中，利用双目相机拍摄带有编码标记点的模型的双目前光图像，且拍摄时采用双目相机单次曝光、光源多次闪光成像，光源多次闪光时刻即为测量模型多个位姿的时刻，通过提取单个时刻中双目前光图像中多个模型位置的编码标记点，结合双目相机的成像参数和编码标记点位置关系，可解算获得光源闪光时刻的模型位姿，不同时刻对应的双目前光图像处理、姿态解算方法相同，结合序列光源模块的出光时序即可得到模型的位姿随时间变化情况。本实用新型提供了一种针对超高速飞行模型位姿变化的测量装置，具有测量视场大、测量精度高、成像光路简单等的优点，且无需考虑多个测量站之间的关联，即可测量模型位姿变化状况。

附图说明

图1是本实用新型实施例中超高速飞行模型位姿变化测量装置(部分)示意图；

图2是本实用新型实施例中带有编码标记点的模型示意图；

图3是本实用新型实施例中标定板示意图；

图4是本实用新型实施例中双目视觉定位原理示意图。

图中：100：序列光源模块；200：前光成像模块；3：模型；4：光吸收介质层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种超高速飞行模型位姿变化测量装置，包括：序列光源模块100、前光成像模块200、控制模块和数据处理模块，图1示出了模型3的测量状态，省略了控制模块和数据处理模块，下面进行具体说明：

序列光源模块100用于产生序列脉冲光束，照射待测量的模型，所述模型表面设置有编码标记点，各个编码标记点对应不同的编号，用于定位模型3。

前光成像模块200包括双目相机，双目相机用于在一个曝光时间内连续拍摄多个出光照射时刻时模型3的双目前光图像，此处的多个指大于两个，即一个曝光时间内至少对应有两个出光照射时刻。双目相机用于拍摄序列脉冲光束出光照射时刻的模型的双目前光图像，序列光源模块多次闪光，出光照射时刻即为测量模型多个位姿的时刻。如图1所示，序列光源模块100和前光成像模块200的双目相机按照需要布局后，形成测量视场，模型3超高速后穿过视场时，拍摄模型3 在测量视场内的飞行位姿变化。

需要说明的是，本实用新型中所述的双目相机其范围不仅包括双镜头的双目立体相机，也包括采用两个单镜头相机从不同位置拍摄组成双目视觉测量站，如图1所示，能够实现双目立体视觉定位即可。此处的双目前光图像包括用于实现双目立体视觉位姿测量的两副图像。

控制模块分别与序列光源模块100和前光成像模块200连接，用于控制序列脉冲光束出光以及双目相机的曝光，双目相机单次开闭期间，序列光源模块多次闪光成像。设所述序列光源模块出光时刻为t1… ti…tn，双目相机同步曝光，开始和结束曝光时刻分别为T1和T2，要求 T1先于t1，同时T2后于tn，也就是要求所有的光源出光时刻都处于相机曝光时间内。

数据处理模块与前光成像模块200连接，用于从前光成像模块200 获取曝光得到双目前光图像，并根据多个出光照射时刻获得的双目前光图像，解算模型3的位姿变化。优选地，数据处理模块用于从单个出光照射时刻的双目前光图像(即双目拍摄产生的两副模型图像)中提取至少三个能够同时识别的编码标记点，并根据预先标定的双目相机成像参数，以及编码标记点对应位置坐标，解算获得该时刻的模型位姿。不同时刻对应的双目前光图像处理、姿态解算方法相同，根据多个序列脉冲光束出光照射时序及对应的各时刻模型位姿，即可得到模型3的位姿随时间变化情况。

设有编码标记点的模型3如图2所示，例如，可采用激光打标的方式在金属模型表面刻蚀编码标记点。编码标记点可为圆形、方形或对角形等。在测量前，可通过质心测量系统获得模型质心位置，通过三维扫描系统建立模型表面各个编码标记点之间的空间位置关系，并通过坐标转换将编码标记点转换到模型质心坐标系下，得到各个编码标记点的位置坐标。此部分为现有技术，在此不再赘述。

在使用双目相机拍摄模型3之前，可采用标定板对双目相机进行标定。如图3所示，标定板上设有多个彼此之间位置关系已知的标定点，即，每一块标定板内部点之间的位置关系已知。标定过程中，将标定板置于双目视场内变换多次位置，拍摄多幅(优选>5幅)标定板不同位置的图像，通过标记点提取，获得两个相机焦距、主点、像差系数以及两个相机之间的位姿关系等参数，即完成标定过程。

如图4所示，利用双目立体视觉交会方法可根据双目相机拍摄的图像获得一点的空间位置，基本方法是对两幅图像上的同一标记点进行提取，获得图像二维坐标，然后根据上述的标定结果实现双目交会得到空间点的位置坐标。

相机单次曝光、序列光源模块闪光照射两次的(单目)前光图像中包括两个时刻的模型位姿。如图4所示，根据双目立体视觉交会方法，提取(同一时刻的)两副模型图像中能够同时识别的模型表面编码标记点，即可计算该编码标记点的空间位置。当至少三个编码标记点被定位时，同时，根据前面所述，标记点在模型质心坐标系下的坐标值也已知，即可利用常用的基于SVD分解的绝对定向方法获得模型的位置和姿态，并且识别提取的编码标记点越多，解算的精度越高。

本实用新型提供了一种超高速飞行模型位姿变化测量装置，采用双目视觉测量复杂外形模型的超高速飞行时的位姿变化，具有测量视场大、测量精度高、成像光路简单的优点。该装置采用双目相机单次曝光、光源多次闪光成像，能够获得超高速飞行模型在不同时刻的双目前光图像，可以利用一个测量站(即双目相机)，在一张相片内得到多个时刻的模型位姿信息，结合序列脉冲光束出光照射时序，即可获得模型位姿变化信息，特别适用于高速飞行运动中的模型，且无需考虑多个测量站之间的关联，解算方便，克服了采用多个视觉位姿测量站测量模型飞行位姿变化时的测量站关联难题，同时节约了硬件成本。

优选地，前光成像模块还包括光吸收介质层4，如图1所示，光吸收介质层4设置在双目相机的视场中，位于模型3远离双目相机的一侧，用于吸收可能造成干扰的背景光，方便提取模型3的图像。进一步优选地，光吸收介质层4为黑色吸光材料，用于吸收光源发出的光，例如光吸收介质层4可采用黑布或黑色涂料等，使用时将黑布或黑色涂料铺满双目相机视场后方的壁面，或将整套装置置于涂覆光吸收介质层4的暗室之中，效果更佳。

优选地，考虑到模型以超高速飞行，为更清晰准确的拍摄模型图像，序列光源模块100采用脉冲激光器产生激光序列脉冲光束，进一步优选地，脉冲激光器用于产生脉冲小于10ns，出口能量190～210mJ 的激光脉冲光束，激光波长可为532nm。光源激光能量越大，模型标记点成像对比度越高，但能量过大则会引起图像过曝。脉冲激光器产生的激光脉冲光束经扩束和匀化后照射模型，闪光速度快，且改进相机视场及扩大光源照射范围可使测量视场大于直径1米范围，光源的出光时刻必须保证模型在视场范围内，测量视场大有利于测量。此外，模型飞行速度越高，要求光源多次闪光之间的时间间隔越短，即脉冲越小，具体可根据实际情况进行调整。

本实施例所述的超高速飞行模型位姿变化测量装置可采用如下方法对模型进行测量：

S1、利用序列光源模块产生序列脉冲光束，多次出光照射待测量的模型；利用双目相机在一个曝光时间内连续拍摄多个出光照射时刻模型的双目前光图像；

S2、根据多个出光照射时刻获得的双目前光图像，解算获得模型的位姿变化。

优选地，该方法还包括在步骤S1之前，在模型表面制作编码标记点，例如可采用激光打标的方式在金属模型上刻蚀编码标记点；获得模型质心位置，例如可采用现有技术中的质心测量系统获得模型质心位置；并通过三维扫描建立模型表面编码标记点之间的空间位置关系，将编码标记点转换到模型质心坐标系下，得到各个编码标记点的位置坐标。

进一步优选地，该方法还包括步骤S1中使用双目相机拍摄双目前光图像前，对双目相机进行标定，标定出双目相机的成像参数，以解算图像与空间位置的关系。标定可采用基于平面靶板的双目立体视觉相机标定方法。标定采用至少一块标定板，每一块标定板内部点之间的位置关系已知。优选地，可同时拍摄多块标定板，能够减少拍图次数，提高标定效率。

优选地，步骤S2包括：

S2-1、根据单个出光照射时刻双目前光图像中至少三个能够同时识别的编码标记点，结合双目相机的成像参数，计算编码标记点的空间位置，得到该时刻的模型位姿。优选地，可利用通用的双目立体视觉交会方法获得编码标记点的空间位置。当至少三个编码标记点被定位时，即可利用通用的绝对定向方法获得模型的位置和姿态。同时，识别提取的编码标记点越多，解算的精度越高，

S2-2、根据多个序列脉冲光束出光照射时序及对应的各时刻模型位姿，解算模型的位姿变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。